沼液预处理玉米秸秆与牛粪混合厌氧消化产气性能的研究

沼液预处理玉米秸秆与牛粪混合厌氧消化产气性能的研究魏域芳;李秀金;袁海荣【摘要】Corn stalk was pretreated by different mesh filtered biogas slurry (filtered by 5,10,20 and 40 mesh sieve,respectively) with different solid concentration(10％,15％,20％,25％),and then mixed with cattle manure in dry matter ratio of 3:1.The mixture was anaerobically digested under 35℃ ± 1℃.The results showed that all pretreated corn stalk mixed with cattle manure significantly improved the biogas yield comparing with un-pretreated corn stalk mixture,and the digestion time was significantly shorter.The group mixed with corn stalk pretreated with 5 mesh filtered slurry and with solid concentration of 15％ obtained the best methane yield of 238.35 mL · g-1VS,which was 37.43％ higher than the unpretreated group (173.43 mL · g-1VS),and the digestion time T90 was 26 days comparing with 39 days for the un-pretreated group,which was 33.33％shortened.%文章用沼液预处理玉米秸秆后与牛粪按3∶1混合,进行中温(35℃±1℃)批式厌氧消化实验,考察沼液预处理玉米秸秆对混合厌氧消化产气性能的影响.通过全因素实验设计,对不同沼液浓度(过5目,10目,20目,40目滤网的沼液)和不同沼液固体含量(10％,15％,20％,25％)条件下预处理的玉米秸秆与牛粪混合厌氧消化的产甲烷性能进行分析.结果表明:不同浓度的沼液在不同的固体浓度下预处理玉米秸秆后与牛粪混合厌氧消化的负荷产甲烷量较未预处理组显著提高,消化时间明显缩短.当沼液过5M筛网,预处理固体浓度为15％时可获最大负荷产甲烷量238.35mL·g-1VS,相比未预处理组173.43mL· g-1VS提高37.43％,而厌氧消化周期T90(26天)相对未预处理组(39天)缩短33.33％.【期刊名称】《中国沼气》【年(卷),期】2018(036)001【总页数】8页(P39-46)【关键词】沼液;厌氧消化;甲烷;玉米秸秆;牛粪【作者】魏域芳;李秀金;袁海荣【作者单位】北京化工大学资源与环境研究中心,北京100029;北京化工大学资源与环境研究中心,北京100029;北京化工大学资源与环境研究中心,北京100029【正文语种】中文【中图分类】S216.4;X712我国作为农业大国，秸秆产量逐年增长，2015年全国秸秆总产量已超过8亿吨[1]。

而如此庞大秸秆的利用率仅有50%，其余大部分都被直接露天焚烧，不仅增加了空气污染，而且失去了热能利用[2]。

近年来，将其与粪便混合进行联合厌氧消化，不仅可以提高利用率，而且能产生清洁能源，减少温室气体的排放，因此成为研究热点。

然而，秸秆的主要成分纤维素、半纤维素、木质素相互缠绕结合形成“木质素-碳水化合物”联合体(LCC)[3]。

纤维素和半纤维素被木质素包裹，使二者与酶和微生物充分接触受到阻碍。

因此，需对秸秆进行预处理破坏木质纤维素的结构来提高它的生物降解性。

常用的预处理方法主要有蒸汽爆破法、酸法(硫酸、磷酸和硝酸等)、碱法(NaOH，Ca(OH)2和氨水)、氧化法和离子液体法等[4-6]。

但是，这些预处理方法中的大多数都因为成本高昂或废弃酸、碱液的产生而未得到大量的工业应用。

而生物预处理相对条件温和，预处理效果好，且能耗低，无污染，成为研究热点[7-8]。

但菌种(白腐真菌、复合菌系)的培养复杂，预处理时间长，很难用于工程生产。

而厌氧消化产物沼液中含有大量的木质纤维素降解微生物菌种和氮、磷、钾及有机物等[9-10]，用作生物预处理菌剂，即可减少环境污染，节省预处理成本，又可提高消化系统缓冲能力，提高厌氧消化效率。

Hu[11]用沼液预处理玉米秸秆，发现沼气产量可提高57.3%～70.4%，消化时间(T80)可缩短33.3%～41.7%。

可见，沼液用于农作物秸秆的预处理时，既能达到生物化学预处理的目的又能将部分沼液回收利用，避免污染的同时增加了经济效益，对实际工程具有重要的意义。

实验用沼液预处理玉米秸秆后与牛粪混合进行厌氧消化，分析比较甲烷产量和厌氧消化性能，探究沼液生化预处理玉米秸秆的可行性，以期为经济高效的环境友好型预处理方法提供理论依据，为厌氧发酵工程应用提供支撑。

1 材料与方法1.1 实验材料实验所用玉米秸秆取自北京延庆区农田，先风干后切成3～4 cm的小段，再用带20目筛网的粉碎机粉碎干燥保存备用。

牛粪取自北京顺义区农户，置于-20℃冰箱保存待用。

沼液来自实验室的CSTR厌氧消化反应器。

接种物为厌氧消化污泥，取自北京小红门污水处理厂，实验原料和接种物基本性质见表1。

表1 实验原料和接种物的基本性质基本参数玉米秸秆牛粪沼液5目10目20目40目接种物TS/%93.25±0.0429.14±2.223.51±0.113.36±0.142.63±0.162.32±0.1210.54±0.08VS/%87.59±0.1318.04±0.232.41±0.022.07±0.051.57±0.041.34±0.025.6 9±0.07TC/%42.00±0.2330.26±2.6728.42±0.1228.08±0.4328.39±0.5627.43±0.4040.38±0.50TN/%1.02±0.051.96±0.122.81±0.032.50±0.022.74±0.082.72±0.042.23±0.05C/N41.3115.4410.1111.2310.3610.0818.11纤维素/%35.04±0.0815.15±0.78—————半纤维素/%31.41±0.0320.14±1.40—————木质素/%14.49±1.476.49±0.15—————1.2 实验装置实验采用厌氧消化批式实验装置，主要由3部分组成：1 L蓝盖瓶，1 L广口瓶和1 L烧杯。

它们之间由玻璃管、乳胶管连接。

蓝盖瓶作为厌氧消化反应器，工作体积为0.8 L，广口瓶上标有刻度，通过排水法记录日产气量。

用35℃±1℃的水浴箱给蓝盖瓶加热保证实验为中温厌氧消化。

1.3 实验方法实验以沼液浓度和预处理过程中秸秆和沼液混合后的固体浓度为实验因子，设定沼液分别为过5目，10目，20目和40目滤网的出料，固体浓度分别为10%，15%，20%和25%。

上料负荷为65 gTS·L-1，原料混合比为(秸秆∶牛粪)3∶1，预处理时间3天，污泥接种量为15 gTS·L-1。

同时设置未预处理玉米秸秆和牛粪混合组，只添加接种物和只添加沼液的空白组。

每组实验设3个平行，设计如表2所示。

全因子实验设计及数据分析通过Minitab® 16.2.3软件进行处理，采用OriginPro 8.0软件进行图像绘制。

1.4 分析方法总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、COD的测量采用国标法。

气体成分通过配有热导检测器(TCD)的气相色谱仪检测。

用岛津GC-2014气相色谱仪检测挥发性脂肪酸(VFA)含量。

纤维素、半纤维素、木质素的含量通过纤维素仪测定。

总碱度采用溴甲酚绿—甲基红指示剂滴定。

2 结果与讨论2.1 日产甲烷量经各浓度沼液(5 M，10 M，20 M，40 M)按不同固体浓度(10%，15%，20%，25%)预处理及未预处理的玉米秸秆与牛粪混合厌氧消化的日产甲烷量变化如图1～图4所示。

4种固体浓度下各浓度沼液预处理组均呈现相似的变化规律，预处理组经过2～3个产气高峰，且主要产气都集中在前20天，而未预处理组先后经过3个明显的产气高峰，主要产气在后35天。

各预处理组均在1～5天达到第1个表2 Minitab生成的沼液浓度和总固体浓度的全因子实验设计表标准序运行序点类型区组固体浓度过筛网目数负荷产甲烷率(mL·g-1VS)101110.2010209.23162110.2540199.51403110.1540216.85374110.155 248.2755110.155229.84126110.2040190.73337110.105220.3278110.152021 8.42399110.1520221.644510110.255199.131511110.2520217.223612110.10 40231.334813110.2540196.903514110.1020216.161915110.1020217.91216 110.1010207.84417110.1040214.46818110.1540207.362419110.1540191.76 3220110.2540195.952021110.1040196.684422110.2040216.092223110.151 0232.243024110.2510213.154325110.2020219.81126110.105228.44112711 0.2020228.014628110.2510213.252729110.2020222.534230110.2010216.78 631110.1510222.122932110.255216.272833110.2040212.512334110.15201 92.261835110.1010214.841436110.2510211.863137110.2520193.95338110. 1020218.104139110.205151.602540110.205198.992641110.2010213.61474 2110.2520202.52943110.205209.513444110.1010210.243845110.1510234.2 82146110.155241.031347110.255215.541748110.105211.41产气高峰，随后甲烷产量下降后又迅速升高，在6～12天内达到第2，3个产气高峰。